三維數(shù)控雕刻機(jī)的設(shè)計含開題及6張CAD圖,三維,數(shù)控,雕刻,設(shè)計,開題,CAD XX設(shè)計（XX）開題報告 XX設(shè)計（論文）題目：三維數(shù)控雕刻機(jī)設(shè)計 學(xué) 生：　 指 導(dǎo) 教 師： 專 業(yè) 班 級 20XX年 4 月 3 日 1. 課題名稱： 三維數(shù)控雕刻機(jī)設(shè)計 2.課題研究背景： （1） 雕刻機(jī)的起源 雕刻可以追溯到遠(yuǎn)古時期，母系氏族時期的半坡氏族文化的“人面網(wǎng)紋盆”便是雕刻的雛形。在我國北宋時期便發(fā)明了活字印刷，這里刻的字應(yīng)屬于雕刻的范疇。隨著時代的發(fā)展，我國的雕刻藝術(shù)日益精湛，玉雕、象牙雕、紅木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技術(shù)都可以堪稱一絕。 傳統(tǒng)雕刻加工業(yè)是一門技術(shù)性要求很高的手工技藝， 雕刻品的質(zhì)量完全取決于雕刻師的技藝水平， 所以生產(chǎn)的效率低、成本高， 制品的隨意性強(qiáng)、一致性差，嚴(yán)重制約了雕刻行業(yè)的發(fā)展。這使得雕刻機(jī)的產(chǎn)生成為必然。 上世紀(jì)90年代至今，機(jī)械雕刻獲得了前所未有的發(fā)展。從最初的刻字機(jī)、刻章機(jī)再到三維雕刻機(jī)，制作工藝也日漸成熟，應(yīng)用范圍也日漸廣泛。大到樓房建筑的裝飾，小到商店門前的招牌，乃至很多產(chǎn)品的標(biāo)識銘牌，可謂雕刻的使用無處不在。 雕刻機(jī)，顧名思義就是用機(jī)械代替人工進(jìn)行雕刻的設(shè)備。 1938年世界第一臺手動雕刻機(jī)在法國“嘉寶”問世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺真正意義的電動、可縮放比例的手動雕刻機(jī)。隨后美國、日本等國也開始研制。20世紀(jì)90年代，隨著微電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，直接推動微型計算機(jī)的急劇發(fā)展。微電子技術(shù)和微型計算機(jī)技術(shù)帶動整個高科技群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機(jī)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。雕刻機(jī)完成了從2D-2.5D-3D加工的變革，功能完善、性格穩(wěn)定、造型美觀和價格合理成為雕刻機(jī)研制的基本要求。 （2） 我國雕刻機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 伴隨著人類社會的發(fā)展，雕刻行業(yè)發(fā)生著巨大的變化，現(xiàn)如今人們對雕刻機(jī)有了全新的認(rèn)識，數(shù)控木工雕刻機(jī)、模具雕刻機(jī)、激光雕刻機(jī)等電腦雕刻加工的興起與發(fā)展是時代發(fā)展的需要，電腦雕刻代替機(jī)械已是大勢所趨。以廣告業(yè)為例，許多廣告行業(yè)的客戶都經(jīng)歷過從手工刻字到使用電腦刻字機(jī)，廣告雕刻機(jī)的使用實現(xiàn)了機(jī)械代替手工的飛躍，電腦代替了人腦，字體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范同時又大大提高了生產(chǎn)效率。 隨著近年來我國制造業(yè)的迅速發(fā)展，我國的雕刻機(jī)產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)展機(jī)遇，有效地促進(jìn)了我國雕刻機(jī)的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。我國的雕刻機(jī)起步于經(jīng)濟(jì)型機(jī)床，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)過十多年的發(fā)展，已形成了多個國產(chǎn)品牌的雕刻機(jī)，如上海洛克公司生產(chǎn)的啄木鳥數(shù)控雕刻機(jī)、北京精雕公司生產(chǎn)的精雕數(shù)控雕刻機(jī)和南京科能公司生產(chǎn)的威克數(shù)控雕刻機(jī)等。上述各類型雕刻機(jī)的機(jī)床本體結(jié)構(gòu)較為簡單，控制器大多借鑒國外新技術(shù)，采用基于高檔的微控制器或PC 的數(shù)控系統(tǒng)，伺服部分以步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動為主，可獲得中等控制精度，但價格比較便宜，因此整機(jī)的性價比較高，適用于精度要求不太高的普及應(yīng)用場合。對高精度的雕刻加工，目前我國尚以進(jìn)口數(shù)控雕刻機(jī)為主，如意大利的左拉、日本的全量等品牌的數(shù)控雕刻機(jī)。這類數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床本體設(shè)計剛度好、精度高，采用伺服電機(jī)驅(qū)動，加工精度高，控制系統(tǒng)功能全、可靠性高， 但價格昂貴，往往數(shù)倍于國產(chǎn)產(chǎn)品， 因此主要應(yīng)用于模具等高精度加工場合。 （3）雕刻機(jī)在國內(nèi)外的發(fā)展歷史 十八世紀(jì)末，莫茲利決定使用機(jī)械工具來協(xié)助生產(chǎn)，之后的十六年，發(fā)明了精密的工具機(jī)，新式機(jī)床從此誕生了。從十八世紀(jì)中葉工業(yè)革命開始，外國幾乎一直是機(jī)械工業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者。其成熟的理論、雄厚的教育，是科技進(jìn)步的助推器。強(qiáng)大的研發(fā)實力使雕刻機(jī)的不僅在結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計，也在運(yùn)動學(xué)分析、仿真等方面取得豐碩成績，在功能、應(yīng)用領(lǐng)域等方面也有深入的研究與實際的應(yīng)用。 機(jī)電一體化產(chǎn)品當(dāng)中，雕刻機(jī)是典型的一例，其技術(shù)是隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展而逐漸得到發(fā)展的。雕刻機(jī)本是銑床的縮小化產(chǎn)品。面對多樣化的市場和個性化的需求，小型雕刻機(jī)也逐漸被細(xì)分化。盡管不同領(lǐng)域有著相異的應(yīng)用，但就技術(shù)而言，趨于集成化。故而，從宏觀的方面來說，跨領(lǐng)域技術(shù)的集成，推動著各領(lǐng)域的發(fā)展。反過來，各領(lǐng)域的技術(shù)有了長足的發(fā)展與進(jìn)步，便會促進(jìn)跨界的合作。 3課題研究意義： 研究雕刻機(jī)的目的和意義 建國六十年來，我國的機(jī)械工業(yè)雖然已經(jīng)有了較大的發(fā)展，具備了一定的基礎(chǔ)和規(guī)模，初步滿足國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的需要。但隨著世界科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，我國機(jī)械工業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比還存在相當(dāng)大的差距。因此，在我國以新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和開發(fā)高技術(shù)含量的新產(chǎn)品，已成為當(dāng)前機(jī)械工業(yè)以至各傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)密切關(guān)注和改革的焦點(diǎn)。 機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它包括機(jī)械、電子、計算機(jī)和自動控制技術(shù)。它從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)出發(fā)，使產(chǎn)品或系統(tǒng)實現(xiàn)整體優(yōu)化。近年來，世界上各發(fā)達(dá)國家競相發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)，以提高制造技術(shù)水平，實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)向柔性化、智能化發(fā)展。機(jī)電一體化技術(shù)給傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)帶來了革命性的變革和驚人的效益，使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式和管理體制發(fā)生深刻的變化。機(jī)電一體化是當(dāng)今世界機(jī)械工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢，也是我國機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必由之路。 4.文獻(xiàn)查閱概況 參考文獻(xiàn)： [1] 林美珍,卞慰萱. 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On the other hand, Mechatronics makes these technologies integrated closely. It is the primary trend of the development of mechanical industrial technology and products in the world nowadays. 3D- mechanical engraving plotter is a typical mechatronic product. It has a larger market prospect in the advertising industry. The thesis in brief introduces the genesis and developmental status quote of Engraving Plotter,analyses characteristics of inland and overseas Plotters，and explains its function and use range. We analyze the overall arrangements and framework，the movement mode of numerical control system，the select of main movement system and feed movement system etc. As well as we select and analyze and realize the process of 3D-Engrave interpolation arithmetic. optimized 3D-mechanical engraving system is realized. This topic is based on the existing engraving machine to design a CNC engraving machines with a large body size, which adapted to the relatively large carving handicraft processing. KEYWORDS: Engraving plotter, mechatronics, 3D,and interpolation arithmetic II III 目錄 摘 要 I ABSTRACT II 第一章.引言 1 1.1雕刻機(jī)概述 1 1.1.1雕刻機(jī)起源 1 1.2數(shù)控雕刻機(jī)及其發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.2.1數(shù)控雕刻機(jī) 1 1.2.2研制雕刻機(jī)的目的和意義 2 1.2.3數(shù)控雕刻機(jī)的特點(diǎn) 3 1.2.4數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 3 1.2.5我國數(shù)控雕刻機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 4 第二章 雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 5 2.1雕刻機(jī)的工作原理 5 2.2整體結(jié)構(gòu) 6 2.2.1雕刻機(jī)總體布局的基本要求 6 2.2.2 影響雕刻機(jī)布局的基本因素 6 2.2.3 坐標(biāo)系的確定 7 2.2.4三維雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 8 2.3進(jìn)給系統(tǒng) 8 2.4主軸組件 11 第三章 三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計 13 3.1 設(shè)計參數(shù)的確定 13 3.2 切削力、切削扭矩和切削功率計算 13 3.2.1銑削力、扭矩和功率的計算 13 3.2.2鉆削力、扭矩和功率的計算 15 3.3 主運(yùn)動系統(tǒng)的設(shè)計計算 16 3.3.1主運(yùn)動系統(tǒng)傳動鏈的組成 17 3.3.2 主軸電動機(jī)的設(shè)計計算 17 3.4進(jìn)給運(yùn)動系統(tǒng)的設(shè)計計算 18 3.4.1 進(jìn)給系統(tǒng)傳動鏈的組成 18 3.4.2滾珠絲杠副的設(shè)計計算 18 3.4.3工作臺進(jìn)給電動機(jī)的設(shè)計計算 22 3.4.4 工作臺直線導(dǎo)軌副的設(shè)計計算 23 3.5插補(bǔ)法 24 結(jié)論 27 總結(jié) 27 參考文獻(xiàn) 28 致 謝 29 附 錄 30 IV 第一章.引言 1.1雕刻機(jī)概述 1.1.1雕刻機(jī)起源 雕刻可以追溯到遠(yuǎn)古時期，母系氏族時期的半坡氏族的“人面網(wǎng)紋盆”便是雕刻的雛形。在我國北宋時期便發(fā)明了活字印刷，《夢溪筆談》有記:“其法用膠泥刻字，薄為錢唇，每字為一印，火燒令堅··一”。這里的刻字應(yīng)屬于雕刻的范疇。隨著時代的發(fā)展，我國的雕刻藝術(shù)日益精深，玉雕、象牙雕、紅木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技術(shù)都可堪稱一絕。 上世紀(jì)90年代至今，機(jī)械雕刻獲得了前所未有的發(fā)展。從最初的刻字機(jī)，刻章機(jī)再到三維雕刻機(jī)，制作工藝也日漸成熟，應(yīng)用范圍也日漸廣泛。大到樓房建筑的裝飾，小到商店門前的招牌，乃至很多產(chǎn)品的標(biāo)識銘牌，可謂雕刻的使用范圍無處不在。 雕刻機(jī)(Engraving Plotter)，顧名思義就是用機(jī)器代替人工進(jìn)行雕刻的設(shè)備。 1938年世界第一臺手動雕刻機(jī)在法國“嘉寶”問世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺真正意義的電動、可縮放比例的手動雕刻機(jī)。隨后美國、日本和法國等國也開始研制。20世紀(jì)90年代，隨著微電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，直接推動微型計算機(jī)的急劇發(fā)展。微電子技術(shù)和微型計算機(jī)技術(shù)帶動整個高技術(shù)群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機(jī)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。雕刻機(jī)完成了從2D-2.5D-3D加工的變革，功能完善、性能穩(wěn)定、造型美觀和價格合理成為雕刻機(jī)研制的基本要求。 1.2數(shù)控雕刻機(jī)及其發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1數(shù)控雕刻機(jī) 傳統(tǒng)雕刻加工業(yè)是一門技術(shù)性要求很高的手工技藝，雕刻品的質(zhì)量完全取于雕刻師的技藝水平，所以生產(chǎn)的效率低、成本高，制品的隨意性強(qiáng)、一致性差，嚴(yán)重制約了雕刻行業(yè)的發(fā)展。這使得雕刻機(jī)的產(chǎn)生成為必然。雕刻機(jī)的功能決定了其使用范圍。從工藝上，雕刻可分為全自由度空間雕刻、三維立體雕刻和二維平面雕刻。其中，全自由度空間雕刻主要用于一些形狀復(fù)雜的工藝品或大型藝術(shù)作品的雕刻工作，如玉雕、木雕工藝品以及冰雕與沙雕等作品。 此類制品往往注重藝術(shù)創(chuàng)作性，制品的構(gòu)成形狀復(fù)雜、隨意性強(qiáng)、工藝性差。因此這類工藝迄今為止雕刻機(jī)尚無能為力，只能采用手工雕刻，制品的質(zhì)量和藝術(shù)性完全依賴于雕刻師的技藝水平。相比之下，在三維立體雕刻和二維平面雕刻機(jī)則大有可為。三維立體雕刻類似于三維銑削加工，可以完成精密模具、藝術(shù)浮雕曲面等雕刻加工;而二維平面雕刻工藝主要用于標(biāo)牌文字及平面幾何圖形的雕刻加工。目前，三維立體和二維平面雕刻大部分已采用雕刻機(jī)完成，克服了傳統(tǒng)手工雕刻存在的缺陷。 根據(jù)控制原理的不同，雕刻機(jī)可分為仿形雕刻機(jī)和數(shù)控雕刻機(jī) (采用 CNC系統(tǒng))兩大類型。仿形雕刻機(jī)的工作原理類似于仿形銑削，在加工前必須制作仿形模型，這一過程通常需手工完成，周期長、效率低。 數(shù)控雕刻機(jī)是數(shù)控技術(shù)和雕刻工藝相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種專用的數(shù)控機(jī)床。與通用數(shù)控機(jī)床類似，數(shù)控雕刻機(jī)通過數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)程序代碼控制雕刻機(jī)動作，實現(xiàn)雕刻加工的自動化。較傳統(tǒng)的手工雕刻、仿形雕刻，數(shù)控雕刻具有生產(chǎn)效率高、加工精度高、成品率高、對零件的適應(yīng)性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢;同時，借助于專用的雕刻 CAD/CAM軟件系統(tǒng)，加工控制程序的生成快捷、修改方便。因此，數(shù)控雕刻機(jī)現(xiàn)已成為實現(xiàn)雕刻加工自動化、高效率、高精度的有效手段，也是當(dāng)今雕刻機(jī)的發(fā)展主流，廣泛應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)、廣告?zhèn)髅健⑷粘ＯM(fèi)以及建筑裝演等眾多領(lǐng)域。 對象和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，數(shù)控雕刻機(jī)可分為模具雕刻機(jī)、木工雕刻機(jī)、廣告雕刻機(jī)、激光雕刻機(jī)等多種類型。它們的加工性能要求出入很大，對機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的要求也各不相同。如模具雕刻機(jī)的加工材料為金屬，所以對機(jī)床本體的剛性要求較高，而且其加工對象是模具，所以對加工系統(tǒng)的精度要求高;而廣告機(jī)加工的是一般是塑膠板或有機(jī)玻璃等非金屬材料，所以對機(jī)床剛性和加工系統(tǒng)的精度都沒有很高要求。但各類雕刻機(jī)都有一個共同的特點(diǎn)，也是數(shù)控雕刻機(jī)與普通數(shù)控機(jī)床的一個顯著區(qū)別，就是由于雕刻刀的特殊性，每次切削的有效成形面積小，所以零件雕刻的刀具運(yùn)動軌跡很長，加工時間往往也較長。因此，提高雕刻機(jī)的刀具運(yùn)動速度對縮短零件雕刻時間、提高加工效率具有特別重要的意義。 按照伺服驅(qū)動控制的類型不同，數(shù)控雕刻機(jī)又可以分為步進(jìn)驅(qū)動雕刻機(jī)和伺服驅(qū)動雕刻機(jī)。步進(jìn)驅(qū)動屬于開環(huán)控制，控制精度較低，但價格便宜，適用于對加工要求不高的中低檔雕刻機(jī)，如木工、廣告業(yè)的雕刻加工。伺服驅(qū)動控制精度高，但價格較貴，主要用于模具加工等高精度雕刻機(jī)。 此外，還可根據(jù)運(yùn)動坐標(biāo)控制的聯(lián)動軸數(shù)，將數(shù)控雕刻機(jī)分為三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)、五坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)等。三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)可以控制三個坐標(biāo)軸聯(lián)動，完成浮雕等常規(guī)雕刻加工;五坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)可以聯(lián)動控制X，Y，2三個移動軸和兩個旋轉(zhuǎn)軸，用來完成復(fù)雜形狀零件的雕刻加工。 1.2.2研制雕刻機(jī)的目的和意義 建國五十年來，我國的機(jī)械工業(yè)雖然已經(jīng)有了較大的發(fā)展，具備了一定的基礎(chǔ)和規(guī)模，初步滿足國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的需要。但隨著世界科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，我國機(jī)械工業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比還存在相當(dāng)大的差距。因此，在我國以新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和開發(fā)高技術(shù)含量的新產(chǎn)品，已成為當(dāng)前機(jī)械工業(yè)以至各傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)密切關(guān)注和改革的焦點(diǎn)。 機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它包括機(jī)械、電子、計算機(jī)和自動控制技術(shù)。它從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)出發(fā)，使產(chǎn)品或系統(tǒng)實現(xiàn)整體優(yōu)化。近年來，世界上各發(fā)達(dá)國家競相發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)，以提高制造技術(shù)水平，實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)向柔性化、智能化發(fā)展。機(jī)電一體化技術(shù)給傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)帶來了革命性的變革和驚人的效益，使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式和管理體制發(fā)生深刻的變化。機(jī)電一體化是當(dāng)今世界機(jī)械工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢，也是我國機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必由之路。 1.2.3數(shù)控雕刻機(jī)的特點(diǎn) 數(shù)控雕刻機(jī)的主要特點(diǎn)如下: 1、自動化程度高。具體的雕刻過程都是數(shù)控雕刻機(jī)自動完成的。 2、產(chǎn)品的尺寸精度高，一致性好。數(shù)控雕刻過程是由計算機(jī)控制完成，可以達(dá)到很高的精度和表面質(zhì)量:批量加工時，產(chǎn)品的一致性好，這對于小模具行業(yè)十分重要。 3、拓展了雕刻領(lǐng)域。只需改變控制程序，數(shù)控雕刻機(jī)便可以雕刻浮雕、各種復(fù)雜的曲面，支持各種刀具，改善了雕刻表面質(zhì)量，提高了雕刻效率。 4、數(shù)控雕刻機(jī)都有鉆銑功能，可用于鉆孔、切邊、加工小模具，性價比高。 1.2.4數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，舉例如下: 1、廣告及禮品制作業(yè)，用于雕刻各類雙色板標(biāo)牌、有機(jī)玻璃、三維廣告牌、雙色人物雕像、浮雕獎?wù)隆⒂袡C(jī)板浮雕、立體門頭字等。 2、模型制作業(yè)，制作沙盤模型、房屋模型等。 3、模具制作業(yè)，雕刻紐扣浮雕模、印刷燙金模，注塑模、沖壓模、鞋模等。 4、木器業(yè)，用于浮雕圖案設(shè)計及制作。 5、印刷電路板(PCB)新產(chǎn)品開發(fā)中的電路制作，鉆孔、銑槽等。 6、印章業(yè)，各類字體各類材料的印章雕刻。 7、電火花加工機(jī)床電極雕刻加工。 8、機(jī)械加工業(yè)，刻度盤字輪及標(biāo)尺刻度。 9、汽車工業(yè)、輪胎模具，車燈模具及裝飾品模具加工。 而且，隨著各種新型裝飾材料的不斷出現(xiàn)，能用于雕刻的材料越來越多，使得計算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)有了更大的用武之地。因此，計算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用范圍還將不斷擴(kuò)大。 1.2.5我國數(shù)控雕刻機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著近年來我國制造業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控雕刻機(jī)產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)機(jī)遇有效地促進(jìn)了我國數(shù)控雕刻機(jī)的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。我國的數(shù)控雕刻機(jī)起步經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，隨著數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)過十多年的發(fā)展，己形成了多個國品牌的雕刻機(jī)，如上海洛克公司生產(chǎn)的啄木鳥數(shù)控雕刻機(jī)、北京糟雕公司生產(chǎn)精雕數(shù)控雕刻機(jī)和南京科能公司生產(chǎn)的威克數(shù)控雕刻機(jī)等。上述各類型雕刻機(jī)機(jī)床本體結(jié)構(gòu)較為簡單，控制器大多借鑒國外新技術(shù)，采用基于高檔的微控制或PC的數(shù)控系統(tǒng)，伺服部分以步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動為主，可獲得中等控制精度，但價格比較便宜，因此整機(jī)的性價比較高，適用于精度要求不太高的普及應(yīng)用場合對高精度的雕刻加工，目前我國尚以進(jìn)口數(shù)控雕刻機(jī)為主，如意大利的左日本的全量等品牌的數(shù)控雕刻機(jī)。這類數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床本體設(shè)計剛高度好、精度高，采用伺服電機(jī)驅(qū)動，加工精度高，控制系統(tǒng)功能全、可靠性，但價格昂貴往往倍于國產(chǎn)產(chǎn)品，因此主要應(yīng)用于模具等高精度加工場合。 4 第二章 雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 2.1雕刻機(jī)的工作原理 計算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)實際是一個三維數(shù)控系統(tǒng)，其工作原理如圖所示 通用微型計算機(jī)內(nèi)安裝專用的設(shè)計排版軟件進(jìn)行圖形、文字的設(shè)計、排版，自動生成加工路徑信息，通過USB接口或其他數(shù)據(jù)傳輸接口將刀具路徑數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，數(shù)控系統(tǒng)接收刀具路徑數(shù)據(jù)，完成顯示、和用戶交互等一系列功能后，用特定的算法將輸入的路徑信息轉(zhuǎn)化為數(shù)控信息，控制器把這些信息轉(zhuǎn)化為驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的信號(脈沖串)，控制雕刻機(jī)X，Y，2三軸的走刀。同時，進(jìn)行銑削，即可雕刻出在計算機(jī)上設(shè)計的各種平面或立體的圖形文字，實現(xiàn)雕刻自動化加工。 2.2整體結(jié)構(gòu) 機(jī)械結(jié)構(gòu)作為雕刻機(jī)的硬件部分，對雕刻機(jī)的加工過程、刻字效果等有著重要的影響。下面對數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)作詳細(xì)介紹。 2.2.1雕刻機(jī)總體布局的基本要求 雕刻機(jī)總體布局的基本要求有以下幾點(diǎn): 1、首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性等等各種要求; 2、確保實現(xiàn)既定工藝方法所要求的工件和刀具的相對位置與相對運(yùn)動。在經(jīng)濟(jì)、合理的條件下，盡量采用較短的傳動鏈，以簡化機(jī)構(gòu)，提高傳動精度和傳動效率; 3、確保雕刻機(jī)具有與所要求的加工精度相適應(yīng)的剛度、抗振性、熱變形及噪音水平； 4、應(yīng)便于觀察加工過程，便于操作、調(diào)整和維修，便于輸送、裝卸工件和清理，注意防護(hù)，確保安全； 5、結(jié)構(gòu)簡單，合理可靠，便于加工和裝配。 2.2.2 影響雕刻機(jī)布局的基本因素 在滿足總體布局的基本要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)當(dāng)考慮影響雕刻機(jī)布局的基本因素: 1、表面形成運(yùn)動的影響 不同形狀的加工表面往往采用不同的刀具來加工，從而表面形成運(yùn)動的形式和數(shù)目就不同，并導(dǎo)致布局的差異。相同形狀的加工表面，由于工件的技術(shù)要求和生產(chǎn)率要求等不同，也可以采用不同的刀具、不同的表面形成運(yùn)動來加工，從而形成不同的布局。由此可知，工件表面形成運(yùn)動直接決定了雕刻機(jī)布局的形式，是影響雕刻機(jī)布局的決定性因素。因而，在布局雕刻機(jī)時，必須根據(jù)加工要求，全面、綜合地考慮工件的表面形成方法及運(yùn)動，以期作出具有較好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的布局設(shè)計。 2、雕刻機(jī)運(yùn)動分配的影響 工件表面形成方法及運(yùn)動相同，而雕刻機(jī)的運(yùn)動分配不同，雕刻機(jī)的布局也會不同。對于同一種運(yùn)動分配的布局，由于導(dǎo)軌的布置和其它結(jié)構(gòu)形式的不同，也將使雕刻機(jī)的布局出現(xiàn)變化。在分配雕刻機(jī)運(yùn)動時，一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn): 1) 移動部件的重量應(yīng)盡量輕。在其它條件相同的情況下，移動部件的重量越小，所需電機(jī)功率和傳動件的尺寸也越小 2) 應(yīng)有利于提高加工精度 3）應(yīng)有利于提高雕刻機(jī)剛度，縮小占地面積 4）工件的尺寸重量和形狀的影響 工件的表面形成運(yùn)動及雕刻機(jī)部件的運(yùn)動分配基本相同，而工件尺寸、重量和形狀不同，雕刻機(jī)的布局也會有很大差異。另外，還應(yīng)考慮雕刻機(jī)性能要求的影響，如振動、噪聲、熱變形、剛度和抗振性，操縱方便形的影響，模塊化設(shè)計法的影響等。通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，雕刻機(jī)基本布局形式通常有下圖所示的兩種方案： 圖2-2 雕刻機(jī)的布局形式 這兩種布局都采用龍門式框架結(jié)構(gòu)，雕刻機(jī)的剛度均較高。 布局(1)方案中，工作臺固定，雕刻頭作橫向和上下移動，立柱作縱向移動。該方案便于變形為不同縱向長度的雕刻機(jī)。由于工作臺不動，承載能力好，適合加工較重的工件。在使用外伸支架支撐縱向長工件進(jìn)行批量加工時，支點(diǎn)高度相同，故支架支撐調(diào)整方便。但雕刻頭運(yùn)動精度較難保證且立柱移動較笨重。 布局(2)方案中，立柱固定，雕刻頭作橫向和上下移動，工作臺作縱向移動。由于工作臺移動，承載能力較布局(1)方案差。若設(shè)計所承載的工件較輕，這種布局方式所需電動機(jī)功率和傳動件的尺寸較小，移動較輕便。在使用外伸支架支撐縱向長工件進(jìn)行批量加工時，支點(diǎn)高度相同，故支架支撐調(diào)整方便，但支架結(jié)構(gòu)較布局(1)方案略顯復(fù)雜。該方案的最大優(yōu)勢在于雕刻頭運(yùn)動精度較易保證。 經(jīng)以上比較，充分考慮到布局的基本要求、影響布局的基本因素及三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)的設(shè)計參數(shù)，可采用布局(2)的方案。 2.2.3 坐標(biāo)系的確定 雕刻機(jī)的坐標(biāo)系采用右手法則，直角卡笛兒坐標(biāo)系統(tǒng)?；咀鴺?biāo)軸為X 、Y 、Z 直角坐標(biāo)，對相應(yīng)每一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動符號為A 、B 、C ，如圖2-3 所示。Z 軸為平行于雕刻機(jī)主軸的坐標(biāo)軸，垂直于工件裝夾面。 圖2-3 右手坐標(biāo)系統(tǒng) 2.2.4三維雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 該三維雕刻機(jī)的機(jī)械幾何結(jié)構(gòu)，由以下幾部分組成: 1、底座部分 作為整機(jī)的基礎(chǔ)，承擔(dān)整個機(jī)體的重量，要求穩(wěn)定堅固。底座由底下的四只支腳與地面接觸; 2、工作臺部分 工作臺部分由工作臺，y方向的絲杠和導(dǎo)軌，以及支架組成。工作臺作為雕刻工作時承載雕刻物體的部件，表面有T形溝槽，由絲杠驅(qū)動，導(dǎo)軌導(dǎo)向: 3、橫梁部分 橫梁由x方向的絲杠和導(dǎo)軌，以及支架組成。橫梁承載機(jī)頭的重量，驅(qū)動機(jī)頭動，容易彎曲變形，在結(jié)構(gòu)仿真和運(yùn)動仿真中是重要的分析對象: 4、機(jī)頭部分 機(jī)頭部分由主軸組件，2方向的絲杠和導(dǎo)軌，以及支架組成。絲杠驅(qū)動主軸組的上下運(yùn)動，主軸組件在加工過程中直接帶動雕刻頭的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 下面從雕刻機(jī)的功能角度，介紹一下各部分的結(jié)構(gòu)及設(shè)計: 2.3進(jìn)給系統(tǒng) 進(jìn)給系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電路、伺服驅(qū)動裝置、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。它的作用是接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號，由伺服驅(qū)動電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動裝置和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)床的工作臺、主軸頭架等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進(jìn)給和快速運(yùn)動。數(shù)控系統(tǒng)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)與一般機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)有本質(zhì)上的區(qū)別，它能根據(jù)指令信號精確的控制執(zhí)行部件的運(yùn)動速度和位置，以及幾個執(zhí)行部件按一定規(guī)律運(yùn)動所合成的運(yùn)動軌跡。 下面介紹一下雕刻機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電機(jī)驅(qū)動。雕刻機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動方式如下: 工作臺帶動工件做y方向的進(jìn)給運(yùn)動，機(jī)頭沿x方向橫梁做進(jìn)給運(yùn)動，雕刻頭在直流電機(jī)的帶動下做高速旋轉(zhuǎn)，并在Z方向做上下運(yùn)動。刀具和工件的運(yùn)動的合成就可以得到文字和圖案的輪廓。 1.機(jī)頭沿x方向的絲杠左右運(yùn)動，實現(xiàn)雕刻寬度;如下圖所示 圖2-4 雕刻機(jī)X方向進(jìn)給圖 2.工作臺沿y方向的絲杠前后運(yùn)動，實現(xiàn)雕刻長度,如下圖所示： 圖2-5 雕刻機(jī)Y方向的進(jìn)給圖 3.機(jī)頭沿Z向的絲杠上下運(yùn)動，實現(xiàn)雕刻深度。 各個傳動鏈中均采用絲杠螺母傳動副，保證了運(yùn)動的傳遞平穩(wěn)和結(jié)構(gòu)的緊。絲杠一端通過聯(lián)軸器與電機(jī)軸相聯(lián)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲杠，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動。另一端采用軸承為支承。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，由指令脈沖決定。指令脈沖數(shù)就是電動機(jī)的轉(zhuǎn)動步數(shù)，即角位移的大小。只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進(jìn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度在很寬范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。它具有以下特點(diǎn): 1、位置控制功能 可預(yù)先發(fā)出具體的脈沖數(shù)量，從而得到需要輸出的角度。 2、無極調(diào)速功能 可根據(jù)發(fā)送脈沖的速度，得到需要的電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 3、正/反，急停及鎖定功能 通過對系統(tǒng)的高低電平控制，得到正/反旋轉(zhuǎn)的效果，在電機(jī)鎖定情況下 （電機(jī)繞組中存在電流，外部沒有要求旋轉(zhuǎn)的電脈沖)，仍有靜止力矩的輸出。 4、低轉(zhuǎn)速及高精度位置功能 通過對脈沖速度的控制，可直接得到極低的轉(zhuǎn)速而不需要通過齒輪箱的過渡，從而避免了功率的損耗和角度位置的偏差。 5、長壽命 不需要象普通的直流電動機(jī)通過電刷和換相器換相，從而減少了摩擦，增長了壽命。如圖2.6所示 圖2-6 絲杠與電機(jī)軸的連接 剛性聯(lián)軸器用于絲桿與電機(jī)的聯(lián)接，可提高兩軸頭連接的固定精度，如圖2.6所示。它的特點(diǎn)有: 1、可用于小型、瞬間慣量小和高速轉(zhuǎn)動的場合; 2、安裝后無反作用力，而且維護(hù)簡單; 3、提高絲杠的強(qiáng)度時，跳動不會受到影響; 4、依靠鎖緊螺栓施加的摩擦緊固，無需鍵; 6、在高速轉(zhuǎn)動時可保持平穩(wěn)。 導(dǎo)軌的主要功能是導(dǎo)向和承載作用。導(dǎo)軌使運(yùn)動部件沿一定的軌跡運(yùn)動，從而保證各部件的相對位置和相對位置精度。導(dǎo)軌承受運(yùn)動部件及工件的重量及切削力，在很大程度上決定數(shù)控機(jī)床的剛度、精度與精度保持性。 雕刻機(jī)的x向和y向絲杠兩側(cè)各采用一對圓柱形導(dǎo)軌作為導(dǎo)向件，另外可以分擔(dān)絲杠所承受的機(jī)頭和工作臺的重量。圓柱形導(dǎo)軌加工容易，導(dǎo)向精度高，可滿足定位精度的要求。 Z絲杠不承受徑向載荷，為保證精度，采用兩根導(dǎo)軌導(dǎo)向。Z的固定依靠步進(jìn)電機(jī)的自鎖來實現(xiàn)。 圓形導(dǎo)軌兩端通過螺釘固定在絲杠支架上，并與導(dǎo)軌套形成移動副。如圖2.7所示 圖2-7 絲杠和圓導(dǎo)軌的支承方式 各個傳動鏈上的絲杠螺母與不同零件以螺釘固定連接，通過與絲杠的相對運(yùn)動實現(xiàn)傳動: 1、與工作臺固定連接，相對于y向絲杠運(yùn)動向絲杠運(yùn)動向支架固定連接，相對于 2、與機(jī)頭向絲杠運(yùn)動 3、與機(jī)頭 向支架固定連接，相對于Z向絲杠移動。 2.4主軸組件 主軸組件是雕刻機(jī)的執(zhí)行件。它的功用是支承并帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動力等載荷，完成表面成形運(yùn)動。主軸組件由主軸及其支承和安裝在主軸上的傳動件、密封件等組成，要求良好的回轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性及精度的保持性。 雕刻機(jī)的主軸部分固定在Z向絲杠的支架上，采用電主軸高速旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)刀具的切削運(yùn)動。 自20世紀(jì)80年代以來，數(shù)控機(jī)床、加工中心主軸向高速化發(fā)展。高速數(shù)控機(jī)床主傳動機(jī)構(gòu)已經(jīng)得到極大的簡化，取消了帶傳動和齒輪傳動，機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動機(jī)直接驅(qū)動，從而把機(jī)床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機(jī)床主運(yùn)動的“零傳動”，這種結(jié)構(gòu)稱為電主軸。它具有結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械效率高，可獲得極高的回轉(zhuǎn)速度，振動小等優(yōu)點(diǎn)，因而在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中獲得了愈來愈廣泛的應(yīng)用。本雕刻機(jī)由于主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到20000r／min,所以應(yīng)用電主軸。 12 第三章 三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計 本章詳細(xì)介紹了廣告型三維機(jī)械雕刻機(jī)機(jī)械部分的主要零部件，如主軸電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)、傳動部件和支承部件的詳細(xì)設(shè)計計算及選型過程。 3.1 設(shè)計參數(shù)的確定 由課題所給的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合廣告型三維機(jī)械雕刻機(jī)的總體設(shè)計方案，初步確定該雕刻機(jī)機(jī)械部分的主要參數(shù)，如表3-1所示。 表3-1 機(jī)械設(shè)計參數(shù)表 項目 參數(shù) 單位 主軸最高轉(zhuǎn)速 n=20000 r/min 最大進(jìn)給速度 mm/min 工作臺總行程(Y) 800 mm (X)軸總行程 800 mm (Z)軸總行程 100 mm 定位精度 25 脈沖當(dāng)量 0.01 mm 使用壽命 hrs 3.2 切削力、切削扭矩和切削功率計算 三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)械雕刻機(jī)的加工對象主要是針對非金屬材料和鋁合金材料的雕刻加工。這些材料具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性。用硬質(zhì)合金直柄立銑刀（）和高速鋼標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆（）在鋁板上進(jìn)行銑削和鉆削，分別進(jìn)行切削力、切削扭矩和切削功率的計算。 根據(jù)三維機(jī)械雕刻機(jī)的加工范圍和使用功能及在實際生產(chǎn)過程中不同的切削方式所使用時間的分配，經(jīng)過統(tǒng)計，大致可將切削方式分為強(qiáng)力切削（切）、一般切削（雕）、精細(xì)切削（刻）和快速進(jìn)給。 3.2.1銑削力、扭矩和功率的計算 通過查閱孟少農(nóng)主編的《機(jī)械加工工藝手冊》，得到表3-2 左側(cè)的經(jīng)驗公式，代入已知參數(shù)進(jìn)行簡化，可得到僅與切削深度、進(jìn)給速度和銑刀轉(zhuǎn)速n有關(guān)的計算公式填入表3-2右側(cè)。 表3-2 銑削力、扭矩和功率計算公式的簡化 計算公式和參數(shù)選定 計 算 結(jié) 果 銑削力： 銑削扭矩： 銑削功率： 其中：銑削寬度，銑削深度,進(jìn)給速度，銑削速度，—— 銑刀外徑((mm),—— 每齒進(jìn)給量(mm/z)， z —— 銑刀齒數(shù)，n——銑刀轉(zhuǎn)速(r /min) 。 將切削深度、進(jìn)給速度和銑刀轉(zhuǎn)速n的變量代入分別計算，得到計算結(jié)果，如下表3-3所示。 表3-3 銑削力、扭矩和功率的計算 切削方式 工作時間 百分比t % 參 數(shù) 計算結(jié)果 強(qiáng)力切削 10% 2.5 120 9000 30 13.70 0.041 0.039 一般切削 30% 1 1200 15000 300 22.45 0.043 0.106 精細(xì)切削 50% 0.5 2400 20000 600 15.80 0.0475 0.0992 快速進(jìn)給 10% — 3600 — 900 0 0 0 其中：—絲杠轉(zhuǎn)速，，預(yù)選絲杠導(dǎo)程 —銑削深度（mm），—進(jìn)給速度（mm/min），n—銑刀轉(zhuǎn)速（r/min）， —銑削力（N），M—銑削扭矩（Nm），—銑削功率（kW）。 3.2.2鉆削力、扭矩和功率的計算 通過查閱參考文獻(xiàn)，按上節(jié)的簡化過程，可得到僅與進(jìn)給速度和鉆頭轉(zhuǎn)速n有關(guān)的計算公式，如下表3-4所示。 表3-4 鉆削力、扭矩和功率的計算公式的簡化 計算公式和參數(shù)選定 計 算 結(jié) 果 鉆削力： 鉆削扭矩： 鉆削功率： 其中：（加工鋁合金）。進(jìn)給速度,鉆削速度，—鉆頭外徑（mm），f—進(jìn)給量（mm/r），n—鉆頭轉(zhuǎn)速（r/min）。將進(jìn)給速度和鉆頭轉(zhuǎn)速n的變量代入分別計算，將得到的計算結(jié)果填入表3-5，由于鉆削功率的計算結(jié)果較小，忽略不計。 表3-5 鉆削力、扭矩和功率的計算 切削方式 工作時間 百分比t% 參 數(shù) 計 算 結(jié) 果 M 強(qiáng)力切 削 10% 300 9000 75 41.61 0.045 — 一般切削 30% 480 15000 120 40.44 0.044 — 精細(xì)切削 50% 600 20000 150 38.65 0.042 — 快速進(jìn)給 10% 900 — 225 0 0 0 其中：—絲杠轉(zhuǎn)速，，預(yù)選絲杠導(dǎo)程，—進(jìn)給速度(mm/min),—鉆削轉(zhuǎn)速(r/min),—鉆削力(N), M—鉆削扭矩(Nm),—鉆削功率(kW)。 3.3 主運(yùn)動系統(tǒng)的設(shè)計計算 本節(jié)主要設(shè)計主運(yùn)動系統(tǒng)中的電主軸，以確定它們的型號和參數(shù)。 數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床主傳動的要求外，還提出以下要求： 1.具有更大的調(diào)速范圍，并實現(xiàn)無級變速。數(shù)控機(jī)床就要為了保證加工時能選用合理的切削用量，并充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量，必須具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的調(diào)速范圍。對于自動換刀的數(shù)控機(jī)床，工序集中，共建一次裝夾，可完成許多工序，所以，為了適應(yīng)各種國內(nèi)工序和各種加工材質(zhì)的要求，住運(yùn)動的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。 2.具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主運(yùn)動系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動件的制造精度與剛度，齒輪齒面進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱淬火增加耐磨性；最后一集采用斜齒輪傳動，使傳動平穩(wěn)；采用高精度軸承及合理的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。 3.良好的抗振性和熱穩(wěn)定性 數(shù)控機(jī)床上一般既要進(jìn)行粗加工又要進(jìn)行精加工；加工時可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運(yùn)動部件不平衡以及切削過程中的自激振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗燥度，嚴(yán)重時甚至破壞刀具或零件，是加工無法順利進(jìn)行。 因此在主傳動系統(tǒng)中的各主要零部件不但要具有一定的靜剛度，而且具有足夠的抑制各種干擾力引起的動的能力——抗振性?？拐裥杂脛觿偠然騽尤嵝远葋砗饬?。例如主軸組件的動剛度取決于主軸的當(dāng)量靜剛度、阻尼比及固有頻率等參數(shù)。 機(jī)床在切削加工中主傳動系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生熱變形，破壞了零部件之間的相對位置精度和運(yùn)動精度造成的加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低了傳動效率，影響到生產(chǎn)率。為此要求主軸不見具有較高的熱穩(wěn)定性，通過保持合適的配合間隙，并進(jìn)行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實現(xiàn)。 3.3.1主運(yùn)動系統(tǒng)傳動鏈的組成 電機(jī)直接驅(qū)動主軸是精密機(jī)床、高速加工中心和數(shù)控車床常用的一種驅(qū)動形式。如平面磨床的砂輪主軸，高速內(nèi)圓磨床的磨頭。轉(zhuǎn)速小于3000r／min的主軸，采用異步電動機(jī)軸通過聯(lián)合器直接驅(qū)動主軸，機(jī)床可通過改變電動機(jī)磁極對數(shù)來實現(xiàn)變速；轉(zhuǎn)速小于8000r／min的主軸，可采用變頻調(diào)速電動機(jī)直接驅(qū)動；高速主軸，可將電動機(jī)與主軸做成一體，即內(nèi)裝電動機(jī)主軸，轉(zhuǎn)子軸就是主軸，所以本雕刻機(jī)應(yīng)選用電主軸， 3.3.2 主軸電動機(jī)的設(shè)計計算 根據(jù)前面兩節(jié)的計算結(jié)果，取一定的安全系數(shù)，忽略傳動效率，主軸電動機(jī)所需的扭矩、功率和轉(zhuǎn)速計算過程如表3-6所示。 表3-6 主軸電動機(jī)設(shè)計計算 序號 計算項目 符號 單位 計算公式和參數(shù)選定 計算結(jié)果 1 轉(zhuǎn)矩計算 查表3.3和表3.5，取i=2取較大值得到：M0≥0.095取整 額定轉(zhuǎn)矩 2 功率計算 查表3.3和表3.5,取大值得到取整 額定功率 根據(jù)上述所算功率可選擇安陽華安通用主軸科技有限公司生產(chǎn)的型號為DD58Z24/0.8的電主軸。如下表所示： 主軸型號 轉(zhuǎn)速 電機(jī) 外型尺寸 潤滑 軸承型號 Speed Motor Dimensdions(mm) BearingSD type SDpingdle type (r/min) KW V A H2 D D1 軸端連接 L L1 L2 Lub DD58Z24/0.8 24000 0.8 220 2.3 400 58 44 ER11 197 23 18 油脂 前B7002C/P4?? 后6001C/P5 3.4進(jìn)給運(yùn)動系統(tǒng)的設(shè)計計算 雕刻機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動分為三個部分：主軸的上下移動，主軸的左右移動和工作臺的前后移動。它們的設(shè)計沒有什么很大的區(qū)別，因此可以通過對其中一個方向上的設(shè)計來勾勒出我們在移動部分的設(shè)計方案，現(xiàn)在以工作臺部件為例，著重設(shè)計計算進(jìn)給運(yùn)動傳動鏈中進(jìn)給電動機(jī)，同步帶和帶輪，滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌，以確定它們的規(guī)格型號及參數(shù)，來滿足在機(jī)械加工過程中的各種切削加工要求。 3.4.1 進(jìn)給系統(tǒng)傳動鏈的組成 從前面所述，我們知道步進(jìn)電動機(jī)通過聯(lián)軸器和滾珠絲杠連接，將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為部件的移動. 3.4.2滾珠絲杠副的設(shè)計計算 參閱徐灝主編的《機(jī)械設(shè)計手冊》第四冊和李鶴軒主編的《機(jī)電一體化技術(shù)手冊》以雕刻機(jī)進(jìn)行銑槽加工時為例進(jìn)行設(shè)計計算，過程如表3-8所示。 表3-8 滾珠絲杠副設(shè)計計算 序號 計算項目 符號 單位 計算公式和參數(shù)選定 計算結(jié)果 1 確定滾珠 絲杠導(dǎo)程 mm 電動機(jī)與絲杠 1:1傳動 3 預(yù)期額定動載荷 N (1)按預(yù)期工作時間估算 查表9,輕微沖擊 查表7,按7級 查表8,可靠性97% 查表3.1得， (2)擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，按最大負(fù)載計算： 查表10，輕預(yù)載 (1) (2) 取兩種結(jié)果 的大值 4 (1) (2) 確定允許的最小螺紋底徑 估算允許得最大軸向變形量 估算最小螺紋底徑 mm 5 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號 (1)選取內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒型墊片預(yù)緊螺母 (2)由計算出的 在樣本中選取滾珠絲杠副 FFZD FFZD2004-3 6 確定滾珠絲杠副的預(yù)緊力 N 7 (1) (2) (3) 確定滾珠絲杠副支承用軸承型號、規(guī)格 軸承所承受的最大軸向載荷 軸承類型 軸承型號規(guī)格 N 固定端背對背角接觸球軸承，游動端深溝球軸承 預(yù)加載荷 軸承內(nèi)徑d=10 軸承預(yù)緊力 固定端7000C 游動端6100 8 行程補(bǔ)償值 C 9 (1) (2) (3) 滾珠絲杠 工作圖設(shè)計 絲杠螺紋長度 繪制工作圖 支承距離 絲杠全長 行程起點(diǎn)距固定支承距離 mm mm mm 10 (1) (2) 傳動系統(tǒng)剛度 絲杠抗壓剛度 最小抗壓剛度 最大抗壓剛度 組合剛度 一對預(yù)緊軸承的組合剛度 支承軸承 組合剛度 絲杠滾珠和滾道的接觸剛度 一端固定，一端游動 查表得： 11 (1) (2) (3) (4) (5) （6） （7） 剛度驗算 及精度選擇 計算 計算 靜摩擦力 驗算傳動剛度 傳動系統(tǒng)剛度變化引起的 定位誤差 確定精度 全行程變動量 確定規(guī)格代號 N FFZD2003-3-P4/485×410 12 驗算臨界 壓縮載荷 N 13 驗算臨界轉(zhuǎn)速 rpm 14 驗算 14400<70000 15 形位公差標(biāo)注 略 16 基本軸向額定載荷驗算 表3-8工作臺滾珠絲杠設(shè)計計算 3.4.3工作臺進(jìn)給電動機(jī)的設(shè)計計算 以滿載一般切削時為例進(jìn)行計算，計算過程見表3-9. 表3-9 工作臺進(jìn)給電動機(jī)設(shè)計計算 序號 計算項目 符號 單位 計算公式和參數(shù)選定 計算結(jié)果 1 (1) 作用在絲杠副上的各種轉(zhuǎn)矩 外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩 查表得： 2 (1) (2) 計算轉(zhuǎn)動慣量負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量 各種回轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量 各種直線運(yùn)動件轉(zhuǎn)動慣量 電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量 J 絲杠：L=48.5，d=1.53 查表得： 查表3.1得： 查表3.2得： 混合式步進(jìn)電動機(jī) 57BYG250 E-SAFRMC-0152 查樣本， J=460.3 3 最大加速轉(zhuǎn)矩 4 連續(xù)工作最大轉(zhuǎn)矩 查樣本：額定轉(zhuǎn)矩13.5 5 最大啟動轉(zhuǎn)矩 查樣本：最大轉(zhuǎn)矩80 3.4.4 工作臺直線導(dǎo)軌副的設(shè)計計算 表3-10 滾動直線導(dǎo)軌設(shè)計計算 序號 計算項目 符號 單位 計算公式和參數(shù)選定 計算結(jié)果 1 初選直線導(dǎo) 軌副的型號 HTSD-15NAA 2 擬定滑塊數(shù) M 單根導(dǎo)軌兩滑塊 M=4 3 負(fù)載計算 R N 滿足要求 4 摩擦力 F N 5 壽命計算 h 滿足要求 3.5插補(bǔ)法 插補(bǔ)有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、拋物線插補(bǔ)和螺旋線插補(bǔ)多種方式。直線插補(bǔ)算法簡單，比較適合應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)。 脈沖增量插補(bǔ)適用于以步進(jìn)電動機(jī)為執(zhí)行元件的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。傳統(tǒng)的脈沖增量插補(bǔ)是用硬件來實現(xiàn)的?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)功能一般用軟件來實現(xiàn)的，插補(bǔ)算法的效率和插補(bǔ)精度是一個十分重要的問題。 傳統(tǒng)的幾種直線脈沖增量插補(bǔ)算法每次定時中斷只對一個或最多兩個坐標(biāo)進(jìn)行插補(bǔ)。例如，當(dāng)X 、Y 、Z 三方向需同時走l個步進(jìn)，由A 點(diǎn)到D 點(diǎn)時，傳統(tǒng)走法是：一個坐標(biāo)插補(bǔ)時，如圖3-1（1)所示，可行的路徑是X 向先由A 走到B ，然后Y 向由B 走到C ，最后Z 向由C 走到D ；兩個坐標(biāo)插補(bǔ)時，如圖3-1（2）所示，可行的路徑是Z 向先由A 走到E ，然后XY 向由E 走到D 。這兩種算法的運(yùn)算的速度和實現(xiàn)的精度都較低，在三維雕刻機(jī)上運(yùn)用效果不十分理想。 因此，要實現(xiàn)三坐標(biāo)控制三坐標(biāo)聯(lián)動，使之能夠兼顧雕刻的速度和精度，就需要一種新的插補(bǔ)算法。如圖3-1（3）所示，X 、Y 、Z 三方向由A 點(diǎn)到D 點(diǎn)同時走1個步進(jìn)，即直接由A 點(diǎn)移動到D 點(diǎn)。 圖3-1幾種算法方式簡圖 本設(shè)計中，采用的是基于Bresenham算法的直線脈沖增量插補(bǔ)方法，在三維情況下生成空間直線。其基本原理如下： 設(shè)直線的起點(diǎn)坐標(biāo)為,終點(diǎn)坐標(biāo)為,, , , , ,并設(shè)。 由于X方向坐標(biāo)增長最快，我們把X軸作為基本軸，每次循環(huán)X方向都增長一個步長，而Y，Z的情況要通過計算來確定。 如圖3-2所示，為直線上i個點(diǎn)，為直線上第i+1個點(diǎn)，其中： ， , , A: B: C: D: 圖3-2 設(shè)所對應(yīng)的空間網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo), ,是由,經(jīng)圓整理出來的. 由Bresenham算法可知道,如果令=--0.5, =--0.5則有: =+1 0 = <0 (3-1) =+1 0 = <0 (3-2) 由表達(dá)式(3-2)(3-1)可知,一定為圖3-2中點(diǎn)A,B,C,D中的一個。有計算的公式可知: =--0.5=+--0.5 當(dāng) <0時，=-+-0.5-1=--1 當(dāng)0時，=-+-0.5=- (3-3) =--0.5=+--0.5 當(dāng)0 時，=+--0.5-1=--1 當(dāng)<0 時，=+--0.5=- (3-4) 這就是新型的插補(bǔ)方法，用該算法對空間由線的直線插補(bǔ)取得了良好的效果。無論是在插補(bǔ)速度上還是在插補(bǔ)精度上都具有明顯的優(yōu)勢。它在確保加工精度的前提下使用性，提高了運(yùn)算的效率和雕刻機(jī)雕刻的效率，從而大大地提升了雕刻機(jī)的性能。在插補(bǔ)運(yùn)算過程中，運(yùn)用給出的（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）公式進(jìn)行計算。 結(jié)論 總結(jié) 1．?dāng)?shù)控雕刻機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于模具模型、工藝品、印刷電路板的制作和廣告。本文介紹了研究了數(shù)控雕刻機(jī)的功能、結(jié)構(gòu)和組成。在深入分析目前國內(nèi)外數(shù)控雕刻機(jī)的現(xiàn)狀，數(shù)控雕刻機(jī)的控制結(jié)構(gòu)與原理的基礎(chǔ)上提出了本數(shù)控雕刻機(jī)的總體設(shè)計方案，并進(jìn)行了主傳動系統(tǒng)的計算。 2．三維機(jī)械雕刻機(jī)總體上滿足設(shè)計的要求，在機(jī)械本體部分結(jié)構(gòu)緊湊、安全方便，各部分的零件通用性較好，易于保養(yǎng)或維修。切易于操作，具有很大的可行性。 3．本文對三維雕刻機(jī)的插補(bǔ)算法進(jìn)行了選擇，屏除了過去傳統(tǒng)的插補(bǔ)算法，采用了一種新型的插補(bǔ)算法，保證插補(bǔ)速度和插補(bǔ)精度，提高了雕刻機(jī)的效率和性能。 數(shù)控雕刻機(jī)的發(fā)展展望 數(shù)控雕刻機(jī)作為制造業(yè)一個有力工具，有著非常廣闊的發(fā)展前景，隨著計算機(jī)技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、機(jī)械技術(shù)等各個科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控雕刻機(jī)的功能將日益強(qiáng)大，性能將更趨穩(wěn)定。雕刻機(jī)發(fā)展趨勢總結(jié)如下: 1、更加精密 控制部分和機(jī)械部分精度的提高將極大地提高雕刻系統(tǒng)的精度，控制部分將向閉環(huán)伺服方向發(fā)展，通過反饋調(diào)整做到誤差補(bǔ)償，從而可以大幅度提高精度，機(jī)械部分將采用更高精度的滾珠絲杠和驅(qū)動電機(jī)，同時裝配工藝的提高也將進(jìn)一步提高系統(tǒng)的精度。 2、更加高效 高性能運(yùn)動控制技術(shù)如DSP技術(shù)、32位單片機(jī)等的發(fā)展，驅(qū)動電機(jī)性能的提高，刀具性能的提高，采用規(guī)范的軟件開發(fā)技術(shù)等等，都將會推動數(shù)控雕刻系統(tǒng)向著高速、高效、高可靠性的方向發(fā)展。 3、利用移動通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速的發(fā)展，數(shù)控雕刻機(jī)將朝著數(shù)字化、，網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。 32 參考文獻(xiàn) ［1 ］孟少農(nóng)．機(jī)械加工工藝手冊 第一冊．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．1998 ［2 ］孟少農(nóng)．機(jī)械加工工藝手冊 第二冊．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．1998 ［3 ］孟少農(nóng)．機(jī)械加工工藝手冊 第三冊．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．1998 ［4 ］徐灝. 機(jī)械設(shè)計手冊 第（三、四、五）冊．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2001 ［5 ］張新義. 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計．北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 1994 ［6 ］王愛玲．現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與設(shè)計．兵器工業(yè)出版社．1999 ［7 ］蔡厚道等.數(shù)控機(jī)床構(gòu)造. 北京理工大學(xué)出版社. 2007 ［8 ］文懷興．?dāng)?shù)控銑床設(shè)計．化學(xué)工業(yè)出版社．2001 ［9 ］李慶余等．機(jī)械制造裝備設(shè)計．機(jī)械工業(yè)出版社2008 ［10］曹甜東．?dāng)?shù)控技術(shù)．華中科技大學(xué)出版社．2001 ［11］邱宣懷. 機(jī)械設(shè)計．高等教育出版社. 1997 ［12］劉仁家等．機(jī)設(shè)計常用元器件手冊．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．1994 ［13］王運(yùn)炎等.機(jī)械工程材料 機(jī)械工業(yè)出版社 2000 ［14］王蘭美 畫法幾何及工程制圖 機(jī)械工業(yè)出版社2002 ［15］姜培剛等 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計 ［16］韓進(jìn)宏 互換性與技術(shù)測量 機(jī)械工業(yè)出版社 2007 ［17］陳日耀 金屬切削原理 機(jī)械工業(yè)出版社 2002 ［18］樂兌謙 金屬切削刀具 機(jī)械工業(yè)出版社 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最后，向在百忙中抽出時間對本文進(jìn)行評審并提出寶貴意見的各位老師表示衷心地感謝！ 附 錄 圖名 圖號 圖幅 張數(shù) 1雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖 DKJ-00 A0 1 2支架圖 DKJ-00-01 A2 1 3連接板1圖 DKJ-00-02 A1 1 4連接板2圖 DKJ-00-03 A3 1 5主軸套筒圖 6 電機(jī)座圖 DKJ-00-04 DKJ-00-05 A2 A4 1